(57)【要約】  本発明で解決を図る課題は，高耐圧の絶縁トランスにおいて，１次・２次間の寄生容量を低減するとともに，絶縁トランスの体積を縮小することである。  このため、絶縁トランスは、１次巻線が巻回された１次側鉄芯と，２次巻線が巻回された２次側鉄芯と，絶縁体を有し，１次側鉄芯と２次側鉄芯が，絶縁体を挟んで対向するように絶縁体に固定、配置される。  また、電源装置は、１次巻線が巻回された１次側鉄芯と２次巻線が巻回された２次側鉄芯と絶縁体を有し，１次側鉄芯と２次側鉄芯が，絶縁体を挟んで対向するように絶縁体に固定、配置された絶縁トランスと、絶縁トランスの１次巻線に接続される一次側回路と、絶縁トランスの２次巻線に接続される二次側回路とを備え、絶縁トランスが、一次側回路や二次側回路を構成する回路部品と共にプリント基板上に搭載される。
2011154993.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次巻線が巻回された１次側鉄芯と，２次巻線が巻回された２次側鉄芯と，絶縁体を有し，前記１次側鉄芯と２次側鉄芯が，前記絶縁体を挟んで対向するように絶縁体に固定、配置されることを特徴とする絶縁トランス。
【請求項２】
請求項１の絶縁トランスにおいて，
前記１次側鉄芯および２次側鉄芯は、ポット型のフェライトコアであり，前記１次巻線および２次巻線はそれぞれ前記コアの開口部内に配設され，前記開口部同士が相対するように前記絶縁体を挟んで対向されることを特徴とする絶縁トランス。
【請求項３】
請求項１の絶縁トランスにおいて，
前記１次側鉄芯および２次側鉄芯はＥ型のフェライトコアであり，前記コアの脚部同士が相対するように前記絶縁体を挟んで対向されることを特徴とする絶縁トランス。
【請求項４】
請求項１の絶縁トランスにおいて，
前記絶縁体は、中間に空隙を有する２つの絶縁体からなり、一方の絶縁体側に前記１次側鉄芯が、他方の絶縁体側に前記２次側鉄芯が、前記絶縁体を挟んで対向する位置に配置されることを特徴とする絶縁トランス。
【請求項５】
請求項１から請求項４に記載のいずれかの絶縁トランスにおいて，
前記絶縁体は、電子部品を搭載するプリント基板であることを特徴とする絶縁トランス。
【請求項６】
１次巻線が巻回された１次側鉄芯と２次巻線が巻回された２次側鉄芯を、空隙を介して配置し、少なくとも当該空隙に絶縁性の樹脂を充填すると共に、前記１次側鉄芯と２次側鉄芯巻線の巻面同士が対向するように配置されることを特徴とする絶縁トランス。
【請求項７】
１次巻線が巻回された１次側鉄芯と２次巻線が巻回された２次側鉄芯を、絶縁体を介して配置し、少なくとも鉄芯の周囲を絶縁性の樹脂で覆うと共に、前記１次側鉄芯と２次側鉄芯巻線の巻面同士が対向するように配置されることを特徴とする絶縁トランス。
【請求項８】
１次巻線が巻回された１次側鉄芯と，２次巻線が巻回された２次側鉄芯と，絶縁体を有し，前記１次側鉄芯と２次側鉄芯が，前記絶縁体を挟んで対向するように絶縁体に固定、配置された絶縁トランスを備え、前記絶縁トランスを励磁する回路方式は前記絶縁トランスの漏れインダクタンスを利用した直列共振方式であることを特徴とする電源装置。
【請求項９】
１次巻線が巻回された１次側鉄芯と２次巻線が巻回された２次側鉄芯と絶縁体を有し，前記１次側鉄芯と２次側鉄芯が，前記絶縁体を挟んで対向するように絶縁体に固定、配置された絶縁トランスと、該絶縁トランスの前記１次巻線に接続される一次側回路と、前記絶縁トランスの前記２次巻線に接続される二次側回路とを備え、前記絶縁トランスが、前記一次側回路や二次側回路を構成する回路部品と共にプリント基板上に搭載されていることを特徴とする電源装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の電源装置において、
前記絶縁トランスの絶縁体は、前記プリント基板であり、プリント基板の各面にそれぞれ前記１次側鉄芯と２次側鉄芯が配置されていることを特徴とする電源装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の電源装置において、
前記絶縁トランスの絶縁体は、前記プリント基板上に前記絶縁体が垂直方向に固定されるとともに，前記１次側鉄芯が前記１次側回路に隣接するように配置され，かつ前記２次側鉄芯が前記２次側回路に隣接するように配置されていることを特徴とする電源装置。
【請求項１２】
請求項９に記載の電源装置において、
前記二次側回路を構成する回路部品は、プリント基板上に面実装されることを特徴とする電源装置。
【請求項１３】
少なくとも１つのパワースイッチングデバイスとその駆動回路とを内蔵する電源装置において，
前記駆動回路に電源を給電する絶縁トランスを内蔵し，前記絶縁トランスは，１次巻線が巻回された１次側鉄芯と，２次巻線が巻回された２次側鉄芯とを有し，前記１次側鉄芯と２次側鉄芯が，前記駆動回路基板上に充填される充填材を挟んで対向するように配置されるとともに，少なくとも前記１次側鉄芯は前記充填材により固着されることを特徴とする電源装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の電源装置おいて，
搭載される絶縁トランスの数は、パワースイッチング素子の数と同じであることを特徴とする電源装置。
【請求項１５】
請求項１３に記載の電源装置おいて，
パワースイッチング素子の数と同じだけの絶縁トランスを直列接続することを特徴とする電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，絶縁された電力を得る絶縁トランスと，絶縁トランスを用いて構成された電源装置に関わるものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両用インバータのゲートドライブ用電源や大型産業機器用電源などにおいては，１次・２次間の絶縁耐圧として，６〜２５ｋＶという比較的高い電圧が必要である。また，雷サージが発生した場合に，ノイズ電流による装置の誤動作を防止する観点から，１次・２次間の寄生容量を可能な限り小さくすることが求められる。【０００３】
このため，絶縁機能を実現するためには高耐圧でかつ低寄生容量の絶縁トランスが用いられる。また，絶縁トランスは，１次巻線と２次巻線の距離を大きくとる必要が生じ，絶縁トランスの体積が大きくなるという課題があった。【０００４】
これら解決すべき課題のうち、寄生容量の低減に対しては，特許文献１に見られるような低寄生容量トランスが提案されている。このトランスは，多層巻きのトランスで，一次コイルの第４のコイル層と二次コイルの第３のコイル層間の絶縁体をそれ以外のコイル層間の絶縁体の厚みよりも厚くすることにより，第３と第４のコイル層間の間隔が広くなり一次コイルと二次コイル間の寄生容量が低減するというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１０６８５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の特許文献１においては，絶縁体の厚みを厚くして絶縁耐圧を確保するとともに，寄生容量を低減する方法であるが，多層トランス構成となることから，１次・２次巻線間の絶縁体が複数必要となり，トランスの体積を低減することは難しい。【０００７】
本発明で解決を図る課題は，高耐圧の絶縁トランスにおいて，１次・２次間の寄生容量を低減するとともに，絶縁トランスの体積を縮小することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の絶縁トランスは、１次巻線が巻回された１次側鉄芯と，２次巻線が巻回された２次側鉄芯と，絶縁体を有し，１次側鉄芯と２次側鉄芯が，絶縁体を挟んで対向するように絶縁体に固定、配置される。【０００９】
なお、１次側鉄芯および２次側鉄芯は、ポット型のフェライトコアであり，１次巻線および２次巻線はそれぞれコアの開口部内に配設され，開口部同士が相対するように絶縁体を挟んで対向されるのがよい。【００１０】
また、１次側鉄芯および２次側鉄芯はＥ型のフェライトコアであり，コアの脚部同士が相対するように絶縁体を挟んで対向されるのがよい。【００１１】
また、絶縁体は、中間に空隙を有する２つの絶縁体からなり、一方の絶縁体側に１次側鉄芯が、他方の絶縁体側に２次側鉄芯が、絶縁体を挟んで対向する位置に配置されるのがよい。【００１２】
また、絶縁体は、電子部品を搭載するプリント基板とするのがよい。【００１３】
本発明の絶縁トランスは、１次巻線が巻回された１次側鉄芯と２次巻線が巻回された２次側鉄芯を、空隙を介して配置し、少なくとも空隙に絶縁性の樹脂を充填すると共に、１次側鉄芯と２次側鉄芯巻線の巻面同士が対向するように配置されている。【００１４】
本発明の絶縁トランスは、１次巻線が巻回された１次側鉄芯と２次巻線が巻回された２次側鉄芯を、絶縁体を介して配置し、少なくとも鉄芯の周囲を絶縁性の樹脂で覆うと共に、１次側鉄芯と２次側鉄芯巻線の巻面同士が対向するように配置されている。【００１５】
本発明の電源装置は、１次巻線が巻回された１次側鉄芯と，２次巻線が巻回された２次側鉄芯と，絶縁体を有し，１次側鉄芯と２次側鉄芯が，絶縁体を挟んで対向するように絶縁体に固定、配置された絶縁トランスを備え、絶縁トランスを励磁する回路方式は絶縁トランスの漏れインダクタンスを利用した直列共振方式とされる。【００１６】
本発明の電源装置は、１次巻線が巻回された１次側鉄芯と２次巻線が巻回された２次側鉄芯と絶縁体を有し，１次側鉄芯と２次側鉄芯が，絶縁体を挟んで対向するように絶縁体に固定、配置された絶縁トランスと、絶縁トランスの１次巻線に接続される一次側回路と、絶縁トランスの２次巻線に接続される二次側回路とを備え、絶縁トランスが、前記一次側回路や二次側回路を構成する回路部品と共にプリント基板上に搭載されている。【００１７】
なお、絶縁トランスの絶縁体は、前記プリント基板であり、プリント基板の各面にそれぞれ前記１次側鉄芯と２次側鉄芯が配置されているのがよい。【００１８】
また、絶縁トランスの絶縁体は、プリント基板上に絶縁体が垂直方向に固定されるとともに，１次側鉄芯が１次側回路に隣接するように配置され，かつ２次側鉄芯が２次側回路に隣接するように配置されているのがよい。【００１９】
また、二次側回路を構成する回路部品は、プリント基板上に面実装されるのがよい。【００２０】
少なくとも１つのパワースイッチングデバイスとその駆動回路とを内蔵する本発明の電源装置は、駆動回路に電源を給電する絶縁トランスを内蔵し，絶縁トランスは，１次巻線が巻回された１次側鉄芯と，２次巻線が巻回された２次側鉄芯とを有し，１次側鉄芯と２次側鉄芯が，駆動回路基板上に充填される充填材を挟んで対向するように配置されるとともに，少なくとも前記１次側鉄芯は充填材により固着される。【００２１】
なお、搭載される絶縁トランスの数は、パワースイッチング素子の数と同じであるのがよい。【００２２】
また、パワースイッチング素子の数と同じだけの絶縁トランスを直列接続するのがよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば，１次・２次間の寄生容量を低減することができ，雷サージ発生時のノイズ電流の発生を抑制することができる絶縁トランスを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】絶縁トランスの第１の実施形態を示す分解構成図。
【図２】絶縁トランスの第２の実施形態を示す分解構成図。
【図３】絶縁トランスを用いた電源装置の一例を示す回路構成図。
【図４】絶縁トランスを用いた電源装置の一例を示す回路構成図。
【図５】絶縁トランスを用いた電源装置の基板実装の一例を示す配置図。
【図６】絶縁トランスを用いた電源装置の基板実装の一例を示す配置図。
【図７】絶縁トランスを用いた電源装置の基板実装の一例を示す配置図。
【図８】モールド形成された絶縁トランスの一例を示す断面図。
【図９】モールド形成された絶縁トランスの一例を示す断面図。
【図１０】絶縁トランスを用いたパワーモジュールのブロック図。
【図１１】絶縁トランスを用いたパワーモジュールの断面図。
【図１２】絶縁トランスを用いたパワーモジュール用の電源装置の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。特に絶縁トランスの構成、絶縁トランスを含む電源装置回路構成、電源装置のプリント板への実装、絶縁トランスのモールド形成化、並びにパワーモジュールとして構成された電源装置について、数例ずつ順次説明する。
【実施例】
【００２６】
最初に、本発明の絶縁トランスの構成の一例について，図１と図２を用いて説明する。【００２７】
図１は、本発明の絶縁トランス１９の分解構成図である。この構造では、絶縁板３の片面にトランス一次部１１を、他面にトランス二次部１２を配置する。トランス一次部１１、トランス二次部１２は、ポット型フェライトコア１内に一次、二次巻線２，４を収納する。絶縁板３は孔などを設けず、トランス一次部１１、トランス二次部１２が絶縁板を介して対峙するように配置される。【００２８】
以下、より詳細に説明すると、図１において、コア１ａと１ｂは、円形のいわゆるポット型フェライトコアであり，円の中心部に円柱状の脚（１ａ１と１ｂ１）を有するとともに，周縁部にも筒状の脚（１ａ２と１ｂ２）を有し，開口部からみると内側がドーナツ型に窪んだ空間部（１ａ３と１ｂ３）を有する形状をしている。【００２９】
１次巻線２は，コア１ａの中央の脚を中心とした窪みの部分１ａ３にスパイラル状に巻回され，トランス１次部１１を形成する。コア１ｂの窪みの部分１ｂ３にも、コア１ａと同様にスパイラル状に２次巻線４ａと４ｂが巻回され，トランス２次部１２を形成する。１次巻線２，２次巻線４ａおよび４ｂには、エナメル線（単線）が用いられるが，リッツ線を用いても良い。【００３０】
絶縁板３は絶縁体であって，かつ誘電率が比較的低い材質を用いる。絶縁体の誘電率は，紙：２．０〜２．５，ポリエチレン：２．３〜２．４，ポリエステル：２．８〜８．１，フェノール樹脂：３．０〜１２．０，磁器：４．０〜７．０，ガラス・エポキシ基板：４．５〜５．２，ポリウレタン：５．０〜５．３，マイカ：５．７〜７．０などとなっており，同じ材質でも誘電率の数値の低い特性を持つ材質を特に選定することにより、寄生容量の低減を図ることができる。【００３１】
絶縁板３は，ポット型フェライトコア１ａ、１ｂの底面の大きさと同じか，それよりも広くする。広くした場合には，１次・２次間の縁面距離をより長く確保することが可能である。【００３２】
一方，絶縁板３の厚みは概ね０．３ｍｍ〜５．０ｍｍである。厚みが厚い程絶縁耐圧は高くなり，寄生容量も低減することができる。その一方で１次・２次間の結合は低下し，電源の効率低下につながる。しかし，本発明では，１次・２次間の結合よりも、耐圧や寄生容量低減による信頼性向上と低コスト化を優先させた。【００３３】
前記したトランス１次部１１とトランス２次部１２は，それぞれ巻線を巻回したコアの窪み部（１ａ３と１ｂ３）が絶縁板３の方を向くようにして，絶縁板３の表側と裏側に対向させて絶縁板３に固定する。このとき，トランス１次部１１とトランス２次部１２と絶縁板３の間からは，それぞれの巻線に接続されたリード線が引き出される。【００３４】
図２は本発明の絶縁トランス１９の第２の実施の形態を示す分解構成図である。図２の場合にも基本的な原理は図１と同じであるが、図１の場合には磁束が漏れにくいという長所があるが、その半面製造が比較的に困難なポット型フェライトコアを使用し、高価になることを避けられないため、一般に使用されている製造容易な既存のコアを使用したものである。【００３５】
図２では、コア１ａと１ｂはそれぞれ，Ｅ形のフェライトコアであって，計３つの脚を有しており，中央の脚が太く，両端の２つの脚が細い。１次巻線２は，コア１ａの中央の脚を中心に巻回され，トランス１次部１１を形成する。コア１ｂの中央脚にもコア１ａと同様に２次巻線４ａと４ｂが巻回され，トランス２次部を形成する。なお，図示していないが，１次巻線および２次巻線を巻回してコアに固定する際にはボビンを用いても良い。１次巻線２，２次巻線４ａおよび４ｂにはエナメル線（単線）が用いられるが，リッツ線を用いても良い。【００３６】
絶縁板３は絶縁体であって，かつ誘電率が比較的低い材質を用いる。誘電率の数値の低い特性を持つ材質を特に選定することにより寄生容量の低減を図ることができる。絶縁板３は，Ｅ型フェライトコアの底面の大きさよりも広くすることにより，１次・２次間の縁面距離を十分に確保することが可能である。【００３７】
一方，絶縁板３の厚みは概ね０．３ｍｍ〜５．０ｍｍである。厚みが厚い程絶縁耐圧は高くなり，寄生容量も低減することができる。その一方で１次・２次間の結合は低下し，電源の効率低下につながる。しかし，本発明では，１次・２次間の結合よりも耐圧や寄生容量低減による信頼性向上と低コスト化を優先させた。【００３８】
前記したトランス１次部１１とトランス２次部１２は，それぞれ巻線を巻回したコア脚部の先端部が絶縁板３の方を向くようにして，絶縁板３の表側と裏側に対向させて絶縁板３に固定する。【００３９】
なお、図１、図２においてコアは幾つかの形状のものがあるが、要するに１次・２次巻線の巻面を対向配置させることが重要である。【００４０】
次に、図１あるいは図２の絶縁トランス１９を含む電源装置の回路構成例について、図３、図４を用いて説明する。図３は、絶縁トランス１９の出力を全波整流して負荷に電力供給する電源装置の回路構成、図４は絶縁トランス１９の出力を整流して複数負荷に電力供給する電源装置の回路構成である。なお、図１、図２の絶縁トランス１９を用いて電源構成をする場合に、その一次側回路８、二次側回路９が任意のものにできることはいうまでもなく、ここでは典型的な一例を示している。【００４１】
まず、図３の構成を説明する。図３は図１あるいは図２の絶縁トランス１９を用いた電源装置の回路構成図である。この図で、中央の絶縁板３、トランス１次部１１、トランス２次部１２から成る部分が図１あるいは図２の絶縁トランスである。トランス１次部１１側は、一次側回路８を介して直流電源７に接続され、トランス２次部１２側は二次側回路９を介して負荷１０ａに接続されている。【００４２】
以下、より詳細に説明すると、図３において，直流電源７は１次側回路８に接続される。１次側回路８には平滑コンデンサ２０ａと，直列接続されたパワーＭＯＳＦＥＴ２１ａ，２１ｂ，駆動回路２２，共振コンデンサ２３，ロスレススナバキャパシタ２４，絶縁信号受信部２５，制御回路２９があり，パワーＭＯＳＦＥＴ２１ａと２１ｂの直列体の中点には共振コンデンサ２３が接続される。【００４３】
共振コンデンサ２３とパワーＭＯＳＦＥＴ２１ｂのソース極は１次側回路８の外部にあるトランス１次部１１と接続される。トランス１次部１１は絶縁板３を介してトランス２次部１２と磁気的に結合する。トランス２次部１２はセンタタップ構成となっており，２次側回路９の内部の整流ダイオード２６ａ，２６ｂと接続される。【００４４】
また，２次側回路９の内部には，整流ダイオード２６ａ，２６ｂと接続された平滑コンデンサ２０ｂ，出力電圧誤差増幅回路２７と絶縁信号発信部２８があり，光ケーブル１８を介して１次側回路８の絶縁信号受信部２５から制御回路２９に信号が伝達される。【００４５】
次に図３の回路の動作を説明する。制御回路２９では絶縁信号受信部２５から入力される信号に従いパルス信号を生成し，駆動回路２２に出力する。駆動回路２２はパワーＭＯＳＦＥＴ２１ａ，２１ｂにゲート信号を送出してパワーＭＯＳＦＥＴ  ２１ａ，２１ｂをスイッチングする。このとき，出力制御は周波数制御であり，パワーＭＯＳＦＥＴ２１ａ，２１ｂのＯＮ／ＯＦＦの時比率は出力に応じて変化せず一定であり，その代わり駆動周波数が変化する。【００４６】
トランス１次部１１とトランス２次部１２とは、絶縁板３を介して磁気結合するが，フェライト製の鉄芯は絶縁板３で分離されているために漏れインダクタンスは従来の絶縁トランスよりも比較的大きい。そこで，本実施例においては，この漏れインダクタンスを有効に利用する。すなわち，パワーＭＯＳＦＥＴ  ２１ａ，２１ｂをこの回路の共振周波数よりも高い周波数で駆動することにより，漏れインダクタンスと共振コンデンサ２４により形成される直列共振回路に共振電流が流れ，トランス２次部１２にパワーが伝達される。【００４７】
２次側回路９では、整流ダイオード２６ａ，２６ｂにおいてトランス２次部に伝達された高周波交流を整流し、平滑コンデンサ２０ｂに蓄積する。負荷１０ａはこの平滑コンデンサ２０ｂにより安定な出力を得る。平滑コンデンサ２０ｂの電圧は出力電圧誤差増幅回路２７により出力電圧指令値との誤差が増幅され，絶縁信号発信部２８，光ケーブル１８，絶縁信号受信部２５を介して制御回路２９に信号が伝達され，パワーＭＯＳＦＥＴ２１ａ，２１ｂを駆動する周波数が変化して出力電圧を一定に制御する。【００４８】
なお、図２で絶縁信号発信部２８，光ケーブル１８，絶縁信号受信部２５は，オプトワイヤなどの光ファイバ伝送リンク，トスリンクと呼称されるＥＡＩＪ  ｏｐｔｉｃａｌ光ファイバーコネクタなどのアイソレータを用いても良い。また，出力電圧誤差増幅回路２７にはシャントレギュレータを用いても良い。【００４９】
次に図４の構成を説明する。図４は、図１あるいは図２の絶縁トランス１９を用いた電源装置の他の実施例に係る回路構成図である。図４において，図３と同じ機能を持つデバイスには同じ記号を付与している。尚、特に一次側については図３の回路構成と重複するので、その説明を割愛する。【００５０】
トランス２次部１２はセンタタップ構成となっており，２次側回路９の内部の整流ダイオード２６ａ，２６ｂと接続される。図４は図３とは異なり，２次側回路９に平滑コンデンサ２０ｂとは別に平滑コンデンサ２０ｃを設けている。そして，整流ダイオードの構成も図３とは異なっており，平滑コンデンサ２０ｃは，平滑コンデンサ２０ｂのグランド電位を正極とする負電位の電源を形成して、第２の負荷１０ｂに電力供給する。この他，２次側回路９の内部には，出力電圧誤差増幅回路２７と絶縁信号発信部２８があり，光ケーブル１８を介して１次側回路８の絶縁信号受信部２５を介して制御回路２９に信号が伝達される。【００５１】
次に図４の回路動作を説明する。制御回路２９では絶縁信号受信部２５から入力される信号に従いパルス信号を生成し，駆動回路２２に出力する。駆動回路２２はパワーＭＯＳＦＥＴ２１ａ，２１ｂにゲート信号を送出してパワーＭＯＳＦＥＴ  ２１ａ，２１ｂをスイッチングする。このとき，出力制御は周波数制御であり，パワーＭＯＳＦＥＴ２１ａ，２１ｂのＯＮ／ＯＦＦの時比率は出力に応じて変化せず一定であり，その代わり駆動周波数が変化する。【００５２】
トランス１次部１１とトランス２次部１２とは絶縁板３を介して磁気結合するが，フェライト製の鉄芯は絶縁板３で分離されているために漏れインダクタンスは従来の絶縁トランスよりも比較的大きい。そこで，本発明においては，この漏れインダクタンスを有効に利用する。すなわち，パワーＭＯＳＦＥＴ  ２１ａ，２１ｂをこの回路の共振周波数よりも高い周波数で駆動することにより，漏れインダクタンスと共振コンデンサ２４により形成される直列共振回路に共振電流が流れ，トランス２次部１２にパワーが伝達される。【００５３】
２次側回路９において、整流ダイオード２６ａ，２６ｂではトランス２次部に伝達された高周波交流を整流し平滑コンデンサ２０ｂおよび２０ｃに蓄積する。負荷１０ａ，１０ｂはこの平滑コンデンサ２０ｂ，２０ｃによりそれぞれ安定な電圧を得る。【００５４】
平滑コンデンサ２０ｂの電圧は出力電圧誤差増幅回路２７により出力電圧指令値との誤差が増幅され，絶縁信号発信部２８，光ケーブル１８，絶縁信号受信部２５を介して制御回路２９に信号が伝達され，パワーＭＯＳＦＥＴ２１ａ，２１ｂを駆動する周波数が変化して出力電圧を一定に制御する。【００５５】
図４で絶縁信号発信部２８，光ケーブル１８，絶縁信号受信部２５は，オプトワイヤなどの光ファイバ伝送リンク，トスリンクと呼称されるＥＡＩＪ  ｏｐｔｉｃａｌ光ファイバーコネクタなどのアイソレータを用いても良い。また，出力電圧誤差増幅回路２７にはシャントレギュレータを用いても良い。【００５６】
次に図３あるいは図４の電源装置を構成する回路部品をプリント板に実装する技術について図５、図６、図７を用いて説明する。これらの実施例では絶縁トランス以外に、一次側回路８と二次側回路９もプリント板６上に搭載する。【００５７】
まず，図５について説明する。図５は、図３あるいは図４の電源装置を構成する回路部品を実装した基板を、横方向からみた断面図である。図５のプリント基板６には、図１の構造の絶縁トランス１９のほかに、一次側回路８、二次側回路９が実装されて電源装置をユニットとして形成する。【００５８】
以下、より詳細に説明すると、図５において，プリント基板６の左側に１次側回路８が実装される。中央部に図１あるいは図２の絶縁トランス１９が実装配置される。絶縁トランス１９は，プリント基板６に直立して設けられた絶縁板３を中心として，１次側回路８の実装される左側がトランス１次部１１，２次側回路９の実装される右側がトランス２次部１２となるように実装される。【００５９】
なお、１次側回路８の実装部品としては、平滑コンデンサ２０ａ，パワーＭＯＳＦＥＴ２１ａ，共振コンデンサ２３，絶縁信号受信部２５などが、また２次側回路９の実装部品としては、整流ダイオード２６ａ、平滑コンデンサ２０ｂなどが実装される。【００６０】
また，このプリント基板６は挿入基板を用いているが，１次側回路８はリードタイプ部品（平滑コンデンサ２０ａ，パワーＭＯＳＦＥＴ２１ａ，共振コンデンサ２３）と面実装部品（絶縁信号受信部２５）にて構成し，２次側回路９の部品は面実装部品（整流ダイオード２６ａ、平滑コンデンサ２０ｂ）のみを用いる。これにより，２次側回路９に関しては、プリント基板裏面には一切の配線パターンがなく，プリント基板裏面側で絶縁不良が発生しないようにしている。【００６１】
図６も、基板を横方向からみた断面図である。図６において，絶縁板３の一方の面上にプリント基板６が配置され，プリント基板６の表面には１次側回路８の構成部品が実装されるとともに，トランス１次部１１が実装され固定される。なお、プリント基板６は、取り付け部品１００により、絶縁板３に適当な間隔ｈを置いて設置される。【００６２】
他方，絶縁板３のもう一方の面上に、面実装基板３０が直接配置される。面実装基板３０の表面には２次側回路９の構成部品が表面実装されるとともに，トランス２次部１２も実装される。このとき，トランス１次部１１とトランス２次部１２は、絶縁板３、並びに間隔ｈの空隙を挟んで対向するように配置され固定される。【００６３】
絶縁板３は，プリント基板６，面実装基板３０の底面サイズと同じか，それよりも広くする。広くした場合には，１次・２次間の縁面距離をより長く確保することが可能である。【００６４】
一方，絶縁板３の厚みは概ね０．３ｍｍ〜５．０ｍｍである。厚みが厚い程絶縁耐圧は高くなり，寄生容量も低減することができる。その一方で１次・２次間の結合は低下し，電源の効率低下につながる。しかし，本発明では，１次・２次間の結合よりも耐圧や寄生容量低減による信頼性向上と低コスト化を優先させた。【００６５】
また，このプリント基板６は挿入基板を用いており，１次側回路８はリードタイプ部品と面実装部品にて構成する。２次側回路９の部品は面実装部品のみを用いる。なお，プリント基板６についても面実装基板を用いて構成しても良い。【００６６】
図７も図３あるいは図４の回路部品を実装した基板を横方向からみた断面図である。図７において，プリント基板６の左側に１次側回路８が実装される。プリント基板６の中央部の裏面Ｂ側に、トランス１次部１１が実装，固定される。トランス１次部１１が実装された位置に対し，プリント基板６の表面Ａ側にあたる位置に、トランス２次部１２が実装され固定される。プリント基板６表面Ａ側のトランス２次部１２が実装された位置から右側には、２次側回路９が実装される。【００６７】
また，このプリント基板６は挿入基板を用いているが，１次側回路８の構成部品はリードタイプ部品と面実装部品にて構成し，２次側回路９の構成部品は面実装部品のみを用いる。これにより，２次側回路９に関してはプリント基板裏面Ｂには一切の配線パターンがなく，プリント基板裏面Ｂ側での絶縁不良が発生を防止できる。【００６８】
プリント基板６の板厚は概ね０．３ｍｍ〜２．４ｍｍである。板厚が厚い程絶縁耐圧は高くなり，寄生容量も低減することができる。【００６９】
以上に述べた実施例に依れば，絶縁トランス１９は，１次巻線と２次巻線のみならず，１次側鉄芯と２次側鉄芯の間がプリント基板６により確実に遮断されているため，１次巻線と２次巻線は確実に分離される。また，１次・２次間の寄生容量については，プリント基板の材料に低誘電率の絶縁材料を使うことにより低減できる。また，トランスの耐圧向上はプリント基板６の厚みを厚くすることにより可能であり，同時に１次・２次間の寄生容量の低減も図ることが出来る。このように，本発明においては，プリント基板を用いて単純な構造で絶縁耐圧の高い絶縁トランスを得ることが出来るため，低コスト化が実現できる。【００７０】
次に、図１あるいは図２の絶縁トランス１９をモールド形成することについて図８、図９を用いて説明する。【００７１】
図８は絶縁トランス１９の断面図である。図１の絶縁トランスとする場合、コア１ａと１ｂは円形のいわゆるポット型フェライトコアであり，円の中心部に円柱状の脚を有するとともに，周縁部にも筒状の脚を有し，開口部からみると内側がドーナツ型に窪んだ形状をしている。【００７２】
また、図２の絶縁トランスとする場合、コア１ａと１ｂはＥ型フェライトコアであり，中心と周縁部に脚を有するので、脚の間が窪んだ形状をしている。従って、断面形状は図１の場合も、図２の場合も同じであるので、以下の説明では図１の絶縁トランス（コア１ａと１ｂは円形のいわゆるポット型フェライトコア）とする場合について説明する。【００７３】
図８の断面形状において、１次巻線２は，コア１ａの中央の脚を中心とした窪みの部分にスパイラル状に巻回されている。また、コア１ｂの窪みの部分にもコア１ａと同様にスパイラル状に２次巻線４ａと４ｂが巻回されている。【００７４】
そして，巻線を収納したコア１ａとコア１ｂを、コイル面が向き合う形で所定の距離Ｈを保って対向させる。次に、図示のようにコア１ａとコア１ｂに挟まれた部分３０と、コア１ａ，１ｂの周辺部４０に、絶縁材５を充填して固め，絶縁トランス１９を形成させる。なお、図８のモールド形成を実施するに当り、コアの所定位置への配置、固定あるいは、樹脂充填のための型枠などが適宜準備されることは言うまでもない。【００７５】
この場合、コア１ａとコア１ｂに挟まれた部分３０によって、図１、図２の絶縁板３の機能を達成させることになるので、充填する絶縁材の特性あるいは、コイル面が向き合う距離Ｈは、絶縁の観点から決定される。具体的には、絶縁材５は絶縁体であって，かつ誘電率が比較的低い樹脂あるいはセラミックなど，製造過程では自由に変形可能で，かつ，後に固まる特性を持つ材料を用いる。誘電率の数値の低い特性を持つ材質を特に選定することにより寄生容量の低減を図ることができる。【００７６】
コア１ａとコア１ｂの対向距離Ｈは概ね０．３ｍｍ〜５．０ｍｍである。厚みが厚い程絶縁耐圧は高くなり，寄生容量も低減することができる。なお，コア１ａ，１ｂの材料については，アモルファスなど他の磁性体を用いても良い。【００７７】
本実施の形態によれば，コア１ａ，１ｂの距離Ｈと，絶縁材の材質により絶縁耐圧と寄生容量を調整することができる。また，１次巻線と２次巻線間の絶縁のみならず，１次側鉄芯と２次側鉄芯が分離される構造になるため，トランスの構造を単純化でき，低コスト化が図れる。【００７８】
図８の事例では、絶縁板３を準備せず、モールドするときの樹脂５に絶縁板の機能を持たせているが、図９のモールド形成事例では、対向するコア１ａと１ｂの間に、最初から絶縁板３を準備している。【００７９】
絶縁板３は、直径がコア１ａ，１ｂとほぼ同じ円盤状の絶縁材であり，コア１ａとコア１ｂをコイル面が向き合う形で対向させ，絶縁板３を挟むように配置する。そして，図示のようにコア１ａ，１ｂの周辺部４０を絶縁材５で固め，絶縁トランス１９を形成させる。【００８０】
絶縁材５は絶縁体であって，かつ誘電率が比較的低い樹脂あるいはセラミックなど，製造過程では自由に変形可能で，かつ，後に固まる特性を持つ材料を用いる。また，絶縁板３には誘電率の数値の低い特性を持つ材質を特に選定することにより寄生容量の低減を図ることができる。コア１ａとコア１ｂの対向距離は概ね０．３ｍｍ〜５．０ｍｍである。厚みが厚い程絶縁耐圧は高くなり，寄生容量も低減することができる。なお，コア材については，アモルファスなど他の磁性体を用いても良い。【００８１】
本実施の形態によれば，絶縁板３の材質と厚みにより絶縁耐圧と寄生容量を調整することができる。また，１次巻線と２次巻線間の絶縁のみならず，１次側鉄芯と２次側鉄芯が分離される構造になるため，トランスの構造を単純化でき，低コスト化が図れる。【００８２】
最後に、パワーモジュールとして構成された電源装置について，図１０，図１１，および図１２を用いて説明する。まず図１０は、本実施例の絶縁トランス１９を用いたパワーモジュールのブロック図である。【００８３】
図１０において，パワーモジュール１３の内部には，絶縁トランスとその二次側回路９で構成される２組の電源部５０ａ、５０ｂと、ゲート回路６０で構成される。なお、図３の一次側回路８はここではモジュール化範囲に含まれないので、適宜の一次側回路が適用可能である。また、ゲート回路６０を組み込んでいるので、制御信号線６１，６２、ゲート出力端子などが設置される。【００８４】
この図には、トランス１次部１１ａ，１１ｂ，トランス２次部１２ａ，１２ｂ，２次側回路９ａ，９ｂ，ドライブ回路１６ａ，１６ｂ，パワーデバイス１４ａ，１４ｂがあり，トランス１次部１１ａと１１ｂは直列に接続される。トランス２次部１２ａは、２次側回路９ａに接続され，２次側回路９ａはドライブ回路１６ａに接続され，ドライブ回路１６ａはパワーデバイス１４ａのゲートエミッタ間に接続される。【００８５】
同様にトランス２次部１２ｂは２次側回路９ｂに接続され，２次側回路９ｂはドライブ回路１６ｂに接続され，ドライブ回路１６ｂはパワーデバイス１４ｂのゲートエミッタ間に接続される。パワーデバイス１４ａと１４ｂは直列接続される。【００８６】
図１１は、本発明の絶縁トランスを適用したパワーモジュールの断面構造を示す図である。図１１において，ヒートシンク１５の上にパワーモジュール１３がネジ止めされる。パワーモジュールの底面部にパワーデバイス１４ａおよび１４ｂが実装される。パワーデバイス１４ａ，１４ｂの上部にプリント基板６が実装され，プリント基板６にはドライブ回路１６ａ，１６ｂとともに，２次側回路９ａ，９ｂ，トランス２次部１２ａ，１２ｂも実装される。プリント基板６の上部には充填材１７が充填されるが，トランス２次部１２ａ，１２ｂの上部にあたる部分には，充填材１７を挟んでトランス１次部１１ａ，１１ｂが実装される。【００８７】
図１２は、本実施例の絶縁トランスを用いたパワーモジュール用の電源装置の回路図である。図１２において，直流電源７は１次側回路８に接続される。１次側回路８には平滑コンデンサ２０ａと，直列接続されたパワーＭＯＳＦＥＴ２１ａ，２１ｂ，駆動回路２２，共振コンデンサ２３，ロスレススナバキャパシタ２４があり，パワーＭＯＳＦＥＴ２１ａと２１ｂの直列体の中点には共振コンデンサ２３が接続される。【００８８】
共振コンデンサ２３とパワーＭＯＳＦＥＴ２１ｂのソース極は１次側回路の外部にあるトランス１次部１１ａ，１１ｂと直列に接続される。トランス１次部１１ａ，１１ｂは図１１に示したように充填材１７を介してそれぞれパワーモジュール内部のトランス２次部１２ａ，１２ｂと磁気的に結合する。【００８９】
トランス２次部１２ａ，１２ｂはそれぞれセンタタップ構成となっており，トランス２次部１２ａは２次側回路９ａ内部の整流ダイオード２６ａ，２６ｂと接続される。トランス２次部１２ｂは２次側回路９ｂ内部の整流ダイオード２６ｃ，２６ｄと接続される。整流ダイオード２６ａ，２６ｂは平滑コンデンサ２０ｂに接続される。整流ダイオード２６ｃ，２６ｄは平滑コンデンサ２０ｃに接続される。図１２の回路は図２，図５とは異なり，フィードバック回路を持たない。その代わりに，定電圧回路３１ａ，３１ｂを持つ。【００９０】
図１２において，駆動回路２２では一定の周波数かつパルス幅の決まったパルスを発生し，パワーＭＯＳＦＥＴ２１ａ，２１ｂにこのパルスに従ったゲート信号を送出してパワーＭＯＳＦＥＴ  ２１ａ，２１ｂをスイッチングする。【００９１】
トランス１次部１１ａとトランス２次部１２ａ，トランス１次部１１ｂとトランス２次部１２ｂとはそれぞれ充填材１７を介して磁気結合する。フェライト製の鉄芯は充填材１７で分離されているために漏れインダクタンスは従来の絶縁トランスよりも比較的大きい。そこで，本発明においては，この漏れインダクタンスを有効に利用する。すなわち，パワーＭＯＳＦＥＴ  ２１ａ，２１ｂをこの回路の共振周波数よりも高い周波数で駆動することにより，漏れインダクタンスと共振コンデンサ２４により形成される直列共振回路に共振電流が流れ，トランス２次部１２ａおよび１２ｂにパワーが伝達される。【００９２】
２次側回路９ａでは整流ダイオード２６ａ，２６ｂでトランス２次部に伝達された高周波交流を整流し平滑コンデンサ２０ｂに蓄積する。同様に２次側回路９ｂでは整流ダイオード２６ｃ，２６ｄでトランス２次部に伝達された高周波交流を整流し平滑コンデンサ２０ｃに蓄積する。本実施の形態においては，フィードバック回路を持たないため，負荷変動や温度変化等による出力電圧変動は定電圧回路３１ａ，３１ｂにより安定化する。ドライブ回路１６ａ，１６ｂはこの定電圧回路３１ａ，３１ｂにより安定な電圧を得る。【００９３】
次に図１０において，ドライブ回路１６ａ，１６ｂには２次側回路９ａ，９ｂからパワーデバイス１４ａ，１４ｂの駆動電力が供給される。一方，パワーデバイス１４ａ，１４ｂの駆動信号はパワーモジュール１３の外部から入力される。パワーデバイス１４ａ，１４ｂはＩＧＢＴと逆並列ダイオードの例を図示しているが，パワーＭＯＳＦＥＴやＳｉＣスイッチングデバイスなどでも良い。このように，本実施の形態においては，パワーモジュールにおける充填材によりパワーデバイス駆動電源用の絶縁トランスの１次・２次間の絶縁をとる方法を示した。これによりパワーデバイス駆動電源の絶縁トランスの構造が簡単になり，小形化が可能になるとともに，低コスト化も可能になる。【００９４】
このように，本実施の形態においては，パワースイッチングデバイスであるＩＧＢＴの数（２個）と同じだけの絶縁トランス（２組）をパワーモジュールに搭載している。また，これら絶縁トランスを励磁するために必要な１次側回路は図１２に示すように１回路で良い。パワーモジュールに搭載されるＩＧＢＴの数が４個，６個と増加した場合には，図１２のトランス１次部の直列数をＩＧＢＴの数に合わせて４個，６個と増やすことにより，対応することが可能であり，パワーモジュールを駆動するための電源の体積とコストを低減することができる。【００９５】
なお，トランスの１次，２次間は充填剤１７により絶縁する他，モジュール構成部材である樹脂材で絶縁する構造としてもよい。【００９６】
以上述べた本発明によれば、雷サージ発生時のノイズ電流の発生を抑制することによって，絶縁トランスを用いた電源装置の小型化と高信頼化を図ることができる。また，絶縁トランスとそれを用いた電源装置の低コスト化を図ることができる。さらに、絶縁トランスを用いた電源装置の小型化かつ高信頼化という効果を持つ。さらに，１次巻線と２次巻線間の絶縁のみならず，１次側鉄芯と２次側鉄芯が分離される構造であるため，トランスの構造が単純化でき，低コスト化を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明は，鉄道車両用インバータに用いられるゲート駆動電源装置や，産業用電源装置などに適用できる。
【符号の説明】
【００９８】
１ａ，１ｂ：コア
２：１次巻線
３：絶縁板
４ａ，４ｂ：２次巻線
５：絶縁材
６：プリント基板
７：直流電源
８：１次側回路
９，９ａ，９ｂ：２次側回路
１０ａ，１０ｂ：負荷
１１，１１ａ，１１ｂ：トランス１次部
１２，１２ａ，１２ｂ：トランス２次部
１３：パワーモジュール
１４ａ，１４ｂ：パワーデバイス
１５：ヒートシンク
１６ａ，１６ｂ：ドライブ回路
１７：充填材
１８：光ケーブル
１９：絶縁トランス
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ：平滑コンデンサ
２１ａ，２１ｂ：パワーＭＯＳＦＥＴ
２２：駆動回路
２３：共振コンデンサ
２４：ロスレススナバキャパシタ
２５：絶縁信号受信部
２６ａ，２６ｂ：整流ダイオード
２７：出力電圧誤差増幅回路
２８：絶縁信号発信部
２９：制御回路
３０：面実装基板
３１ａ，３１ｂ：定電圧回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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2011154993.tif 000016
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